基于二自由度汽车模型的汽车质心侧偏角估计

一、质心侧偏角介绍

在车辆坐标系中,质心侧偏角通常定义为质心速度方向与车辆前进方向的夹角。如下图所示,u为车辆前进方向,v为质心速度方向,u和v之间的夹角便是质心侧偏角。

质心侧偏角的作用有如下三点:

1、稳定性评估,转弯过程中,质心侧偏角可以反映车辆的姿态变化,过大或者过小都可能导致车辆失去稳定性,通过监控质心侧偏角,可以提高车辆在转弯时的稳定性。

2、操控性优化,合适的侧偏角可以使车辆更容易控制,提高驾驶员对车辆的操控性和响应度。

3、车辆姿态控制,质心侧偏角是很多车辆动态控制系统的重要输入参数,如ESC。

质心侧偏角不容易由传感器直接测量得到,在实际应用中,质心侧偏角常常使用估算的方法得到。本篇博客中,使用卡尔曼滤波器,基于车辆二自由度模型,进行质心侧偏角估计。

关于卡尔曼滤波器的使用,可以查看博主往期文章。

三个实例迅速掌握经典卡尔曼滤波用法_卡尔曼滤波 实例-CSDN博客

二、 二自由度模型的推导

在汽车理论第五章,以下三页有推导过程,心急的小伙伴可以直接看结论。

最终得到以下这组方程:

式子中,

m,整车质量;k1为前轮侧偏刚度;k2为后轮侧偏刚度;β为质心侧偏角;a为质心到前轴距离;b为质心到后轴距离;u为车速;δ为前轮转角;wr为横摆角速度;Iz为汽车转动惯量;v为车辆坐标系下的侧向速度。这几个量中,k1,k2,a,b,Iz为车辆固定参数;u为车速,直接测量得到;δ,前轮转角,也很容易由方向盘转角就可以换算得到;wr,陀螺仪直接采集得到。只有β质心侧偏角无法由传感器直接测量得到。

本篇文章中,通过已知的观测量横摆角速度Wr和方向盘转角δ,用卡尔曼观测器估计,初步估计质心侧偏角,并与carsim中质心侧偏角进行对比。

三、状态空间方程推导

四、与carsim联合仿真

目前仍在以下两问题:1、确保质心侧偏角估算准确的情况下,轮胎侧偏刚度k1,k2与carsim中的轮胎侧向力曲线对不上;2、低速(50km/h)以下时,侧偏角估算震荡。

五、模型与脚本

需要模型的同学们,还是在某宝店 极简车辆控制

包含以下几个文件

1、双击carsim图标,打开carsim,选择红框中的按钮,并continue;

2、选择文件夹中的发货文件夹中的.cpar文件,并按照提示,创建一个文件夹,用于存放carsim工程,在接下来的对话框中,直接按照默认的第一个,点击select,出现进度条,导入完成后,会弹出carsim界面。

3、更改simulink模型路径,

先解锁,再点击simlink模型名称,蓝色位置。

在这个界面中,同样需要先解锁,然后把这两个路径设置到存放simulink模型的位置。注意,路径最好不要有中文名。

4、点击home,返回主界面,点击Send to Simulink,可以打开matlab,并打开simulink模型。

5、运行simulink模型即可。

6、仿真环境

博主用的是carsim 2019+matlab2022b版本。

carsim建议用2019版本,下载及按照过程可参照b站链接:

最新!Carsim2019详细安装教程【附安装包】_哔哩哔哩_bilibili

如果你的matlab不是2022b版本,注意核对下carsim工程中这个matlab版本选项。

同时,这里选择另存的2018b版本模型。注意,路径最好不要有中文名。

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